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湿度响应性褶皱图案的多花样“妙用”

来源: X-MOL 2017-06-09 13:14:11

褶皱（表面起皱）作为一种简便的表面图案化技术，近年来成为人们的研究热点。将光、热、湿气等刺激响应性组分引入褶皱体系，能够赋予体系表面图案的动态响应性，使得该类智能褶皱图案在传感、微流控、信息存储等领域得到广泛应用。表面起皱体系是由模量较低的弹性基底和表面附着的高模量硬层构成。在日常生活中，人们的皮肤可以看做是一种典型的表面起皱体系；皮肤在水中长时间浸泡后会产生褶皱，而干燥后褶皱又会可逆消失。

受此启发，近日美国康涅狄格大学的孙陆逸（Luyi Sun）教授研究团队，以亲水的聚乙烯醇（PVA）薄膜为硬层、以疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）为弹性基底，通过表面PVA膜的交联改性处理，制备了三种不同的湿度响应性PDMS/PVA表面起皱体系；系统的研究了不同褶皱图案其湿气响应性及调控，并利用有限元计算对其响应模式进行了模拟分析。

三种不同响应性PDMS/PVA表面起皱体系的构筑。图片来源：Adv. Mater.

基于表面PVA膜的亲水特性，当对体系表面施加水汽时PVA膜会产生溶胀，从而对PDMS/PVA产生压缩应力；当该压缩应力超过体系的临界压缩应力时，体系表面失稳产生皱纹形貌。当表面PVA膜处于未交联状态时，PDMS/PVA体系一次起皱/消皱循环后，由于PVA分子链结构松弛和结晶度变化，使得再次溶胀产生的压缩应力低于体系临界起皱压缩应力，使得体系褶皱结构不可再生；而当PVA处于均匀交联状态时，则会保证PVA膜的物性稳定，实现褶皱形貌的可逆再生。同时，由于表面皱纹形貌的光折射和漫反射作用，PDMS/PVA体系起皱前后光透过率发生显著变化，从而产生体系宏观透明度的变化。而对PVA进行区域性交联处理后，其溶胀起皱只发生在未交联区域，从而形成局部可逆的宏观图案化，因此可用作防伪标记。如下图h所示，哈一口气，材料就会显现出预设的文字（或图案），再过一会儿，文字（或图案）又会自己消失。

PDMS/PVA体系起皱原理分析、模拟及局部图案化。图片来源：Adv. Mater.

此外，膜/基体系表面皱纹形貌状态跟体系材料的物性密切相关。研究发现，通过调节PVA的交联程度/梯度，能够实现体系表面褶皱形貌及对水汽响应性的精确调控。同时，具有交联梯度PDMS/PVA体系，施加水汽时其底层的PVA和PDMS基底，给表层PVA施加压缩力，导致褶皱产生；而干燥时，整个PVA膜的干燥过程较长，使得顶层PVA先干燥并固定、稳定表面褶皱形貌。这种稳定的PDMS/PVA褶皱结构在光漫射器、防反光膜和电路防水标记等领域具有重要应用。

PDMS/PVA表面褶皱形貌、水汽响应性调节及电路防水标记应用。图片来源：Adv. Mater.

——总结——

该研究基于传统商业化高分子材料PVA的不同交联改性处理，构筑了三种不同的湿度响应性表面起皱体系。对PDMS/PVA软硬复合体系表面防皱、可控起皱以及皱纹形貌的应用拓展进行了系统的研究。同时，该PDMS/PVA智能表面起皱体系在防伪标记、涉密信息存储、电路板/食品防水贴纸以及光学器件领域展现出广泛的应用前景。该研究同时也为其他智能响应性皱纹体系的设计和应用探索提供了借鉴和思路。

材料学

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